車輛主動式穩(wěn)定桿系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及展望*

趙 強，孫 柱

（東北林業(yè)大學 交通學院，黑龍江 哈爾濱 150040）

0 引 言

當車輛發(fā)生側傾時，車身兩側懸架之間會產(chǎn)生相對反向跳動，進而加劇車身的側傾，嚴重時會造成車輛側翻。傳統(tǒng)被動穩(wěn)定桿抑制了車輛過大的側傾角，但因其不能實時調整懸架的側傾角剛度，而具有一定的局限性[1]。

主動式穩(wěn)定桿的出現(xiàn)很好地解決了這一問題。它在傳統(tǒng)被動穩(wěn)定桿的基礎上增加了作動器，通過使用觀測估計技術及特定算法，來實時對車輛施加反側傾力矩，從而達到抑制車身側傾、實現(xiàn)車輛的主動穩(wěn)定控制的目的[2]。對主動式穩(wěn)定桿的研究目前已成為熱點，而對于主動式穩(wěn)定桿的作動器類型、布置形式、控制算法以及觀測器技術的應用，各汽車廠商和研究機構或學者都各有一定的研究和實踐。

本文首先介紹主動式穩(wěn)定桿的工作原理，然后從穩(wěn)定桿的結構形式、動力來源、控制算法和實車應用等方面介紹目前的研發(fā)現(xiàn)狀，最后總結出目前主動式穩(wěn)定桿在研發(fā)中存在的問題，并給出相應的對策。

1 主動式穩(wěn)定桿的工作原理

當車輛轉向車身發(fā)生側傾時，會使穩(wěn)定桿的兩個端部連接點產(chǎn)生相反位移，穩(wěn)定桿被動地發(fā)生扭轉變形，會產(chǎn)生抗扭力矩，傳遞到車身上即為反側傾力矩。

車輛主動式穩(wěn)定桿的內(nèi)置液壓或電動作動器，可以通過主動作動產(chǎn)生反側傾力矩，而且根據(jù)車身抗側傾的需要，通過控制算法產(chǎn)生實時可調的反側傾力矩。當車輛向左轉向時，由于離心作用，車身向外側（右側）傾斜，前后主動穩(wěn)定桿同時啟動，使每個主動穩(wěn)定桿左、右兩部分產(chǎn)生大小相等方向相反的扭矩，共同對車身產(chǎn)生一個逆時針的反側傾力矩，從而減小車身的側傾。

主動穩(wěn)定桿在改善車輛側傾穩(wěn)定性的同時也合理地改善了車輪的抓地力，消除被動橫向穩(wěn)定桿在車輛發(fā)生側傾時造成車輛垂直方向的加速度與位移隨之增大的問題，所以對改善車輛轉向性能，提高車輛橫擺穩(wěn)定性也具有重要作用[3]。

2 主動式穩(wěn)定桿的研究現(xiàn)狀

2.1 主動穩(wěn)定桿系統(tǒng)的結構形式

主動式穩(wěn)定桿在形狀上還是與傳統(tǒng)被動穩(wěn)定桿相似，都是一個U形的具有一定剛度的扭桿彈簧。不同之處在于主動穩(wěn)定桿從中間斷開，或者在兩端與作動器相連，作動器可以控制左右兩個半穩(wěn)定桿及其穩(wěn)定桿本體的扭轉，以實現(xiàn)其扭轉剛度的可變性[4]。主動式穩(wěn)定桿的驅動形式一般采用液壓或電機作為動力源，二者原理基本類似，通過ECU或外掛電腦的控制單元發(fā)送指令來控制液壓馬達或電動馬達的轉速和正反轉[5]，或者控制液壓缸活塞的往復直線運動。

2.1.1 液壓馬達式主動穩(wěn)定桿

液壓馬達是通過液壓系統(tǒng)提供的液壓油控制馬達輸出軸的轉矩和轉速。液壓馬達結構圖如圖1所示。

圖1 液壓馬達結構圖

根據(jù)內(nèi)部的結構不同，液壓馬達可以分為：徑向柱塞式、軸向柱塞式、擺動式和齒輪式馬達[6]。雙葉片式擺動液壓馬達通過串聯(lián)的形式安裝在穩(wěn)定桿上，其轉子和定子分別與左、右兩個半穩(wěn)定桿連接，通過液壓油腔里的壓力和流量的變化實現(xiàn)液壓馬達的轉矩和轉速的變化，進而控制左、右兩半穩(wěn)定桿的反側傾力矩，從而實現(xiàn)車輛姿態(tài)的主動穩(wěn)定控制。

2.1.2 液壓缸式主動穩(wěn)定桿

液壓缸式的主動穩(wěn)定桿其作動器液壓缸與穩(wěn)定桿本體的連接形式一般為并聯(lián)式[7]，液壓缸安裝在穩(wěn)定桿的一側或兩側，底部與車輛懸架的下擺臂連接，通過推桿的推拉運動帶動力臂運動，從而使穩(wěn)定桿產(chǎn)生主動的扭轉運動；并通過襯套或套筒對車輛懸架施加一個主動的反側傾力矩。

液壓缸主動穩(wěn)定桿系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 液壓缸主動穩(wěn)定桿系統(tǒng)

配備液壓缸式穩(wěn)定桿的車輛在平整路面上作直線行駛時，車身沒有側傾的傾向，此時液壓缸處于浮動狀態(tài)，穩(wěn)定桿處于被動穩(wěn)定桿的工作模式。只有當ECU或外掛電腦判斷需要對車輛進行主動橫向穩(wěn)定控制時，會發(fā)送信號給液壓缸執(zhí)行器，液壓缸介入工作，此時為主動橫向穩(wěn)定控制。

此外，在穩(wěn)定桿液壓元件的輕量化研究上，京西重工在液壓執(zhí)行機構上對液壓元件的結構進行優(yōu)化，使其在重量上比之前減重70%[8]。

2.1.3 電機式主動穩(wěn)定桿

電機主要有單通道與雙通道式，應用單通道電機式的主動穩(wěn)定桿系統(tǒng)一般只能控制車輛的側傾穩(wěn)定，而雙通道的電機式主動穩(wěn)定桿系統(tǒng)則可以控制車輛的側傾與橫擺穩(wěn)定[9]。

目前，國內(nèi)外研究的電機式主動穩(wěn)定桿都為雙通道式，其電機式主動穩(wěn)定桿如圖3所示。

圖3 電機式主動穩(wěn)定桿

當車輛發(fā)生側傾時，電機式主動穩(wěn)定桿系統(tǒng)不僅可以產(chǎn)生反側傾力矩抑制車身側傾，還可以動態(tài)地分配前后主動穩(wěn)定桿的反側傾力矩，以提高車輛的橫擺穩(wěn)定性。其電機執(zhí)行器包括左右半穩(wěn)定桿、直流無刷電機和減速器。其工作原理與馬達式主動穩(wěn)定桿相仿，電機的旋轉運動經(jīng)過減速器減速增矩輸出到左右半穩(wěn)定桿，從而輸出反側傾力矩[10-12]。

建立電機式的主動穩(wěn)定桿模型。根據(jù)穩(wěn)定桿機構的力學關系，近似有：

（1）

式中：φ—車身側傾角；θbar—左右半穩(wěn)定桿的相對扭轉角度；L—穩(wěn)定桿桿身的長度；b—穩(wěn)定桿力臂的長度。

根據(jù)力矩平衡條件，穩(wěn)定桿力臂端部的作用力Fbar可表示為：

（2）

式中：MASB—反側傾力矩；Mbar—電機執(zhí)行器的輸出轉矩。

考慮到減速器的減速增矩作用，通過推導可得：

（3）

式中：Te—電機的輸出轉矩；i—減速器傳動比。

重慶交通大學的趙樹恩等[13]通過研究，設計了一種新型變剛度的電機式主動橫向穩(wěn)定桿。

該新型直線電機式主動穩(wěn)定桿系統(tǒng)如圖4所示。

1-主動橫向穩(wěn)定桿系統(tǒng)總成；2-車橋；3-板簧；4-穩(wěn)定桿系統(tǒng)托架；5-穩(wěn)定桿與車橋連接件

1-軸承固定座；2-直線軸承；3-軸承滑動底座；4-穩(wěn)定桿；5-直線作動器；6-滑動導軌圖4 新型直線電機式主動穩(wěn)定桿系統(tǒng)

此種新型直線式主動穩(wěn)定桿系統(tǒng)主要應用在重型商用車上，其穩(wěn)定桿托架固定在車輛縱梁上，穩(wěn)定桿末端與車橋鉸接，軸承固定座與托架相連接。此種變剛度的電機式主動橫向穩(wěn)定桿與傳統(tǒng)電機式主動橫向穩(wěn)定桿不同之處在于：去掉了傳統(tǒng)式中的減速器，并且不再控制穩(wěn)定桿本體的扭轉，通過電機控制直線作動器進而控制滑動底座的間距，來實現(xiàn)桿件扭轉剛度的變化，產(chǎn)生反側傾力矩來抑制車身側傾。

東華大學的王立標等[14]針對現(xiàn)有液壓式主動穩(wěn)定桿響應速度慢，直流電機式主動穩(wěn)定桿易退磁等問題，提出了磁阻電機驅動的主動橫向穩(wěn)定桿系統(tǒng)，因其轉子沒有永磁體故而不會產(chǎn)生退磁現(xiàn)象，且響應速度快、產(chǎn)生的力矩大，彌補了上述液壓式與直流電機式的主動穩(wěn)定桿存在的問題。

南京理工大學的孔振興等研究設計的電動式主動穩(wěn)定桿，將直流無刷電機與穩(wěn)定桿桿身通過水平臂與垂直臂以并聯(lián)的形式連接。電機式的主動橫向穩(wěn)定桿不僅可以直接固定連接在左、右半桿上，也可在空間上通過并聯(lián)的形式布置。其中，左半穩(wěn)定桿與水平臂相連，右半穩(wěn)定桿與垂直臂相連，且垂直臂鑲嵌在中空的水平臂之中，這樣就保證了左、右穩(wěn)定桿在空間運動上的相融性。

綜上所述，根據(jù)結構布置形式的不同，主動式穩(wěn)定桿可分為串聯(lián)式與并聯(lián)式。

串聯(lián)式的主動式穩(wěn)定桿是將作動器直接安裝在穩(wěn)定桿本體上，左、右兩半穩(wěn)定桿直接與作動器兩端相連[15-16]。作動器直接對左右半穩(wěn)定桿進行控制[17]；

并聯(lián)式的主動穩(wěn)定桿是作動器不直接安裝在穩(wěn)定桿本體上，而是通過連桿或齒輪等機構將作動器與穩(wěn)定桿在空間上形成并聯(lián)的形式。并聯(lián)式的主動橫向穩(wěn)定桿因其在布置上需要較大的空間而在實際中的應用較少，并且體積大、重量大，也不符合輕量化的目標。

以寶馬、奧迪和路虎這些已經(jīng)量產(chǎn)的車型上出現(xiàn)的主動穩(wěn)定桿為例，在結構的布置形式上無一例外全是串聯(lián)式。串聯(lián)式的主動穩(wěn)定桿在結構上占有空間少，能量損耗小，因此在實際的應用中更符合車輛底盤空間布置的需要。

2.2 主動穩(wěn)定桿的輕量化設計

在保證汽車的可靠性和功能不受影響的前提下，為了最大限度地減輕各零部件質量、降低燃耗，達到節(jié)能減排的目標，也需要對主動橫向穩(wěn)定桿進行輕量化設計。

根據(jù)汽車輕量化發(fā)展的3個方向，對穩(wěn)定桿輕量化的發(fā)展也從3個方面進行。

穩(wěn)定桿輕量化集成如圖5所示。

圖5 穩(wěn)定桿輕量化集成圖

穩(wěn)定桿輕量化發(fā)展的3個方向為：（1）優(yōu)化結構；（2）在材料選取上選用新型輕質材料；（3）在工藝制造上進行優(yōu)化革新。

目前，對主動橫向穩(wěn)定桿的輕量化研究主要集中在結構優(yōu)化上和新材料的選取上。結構上的優(yōu)化方面，國內(nèi)學者栗明等[18]研究設計了空心式穩(wěn)定桿，極大的增加了輕量化程度；并且采用CAD與CAE相結合的方式，利用ANSYS軟件進行桿件強度、壽命校核分析，保證了使用的安全性。

在新材料的選取上，國外研究學者MASTURA等[19]為減輕整個主動穩(wěn)定桿系統(tǒng)總質量，提出采用天然纖維材料替代穩(wěn)定桿的金屬材料，為找到合適天然纖維，采用層次分析法與環(huán)境功能配置相結合的方法進行了研究，并且對選取的材料進行生命周期評估，最終選取了糖棕纖維這種天然纖維作為混合生物復合材料，用于穩(wěn)定桿的使用。

2.3 主動穩(wěn)定桿的控制算法

目前，應用于主動穩(wěn)定桿的控制算法包括PID控制、模糊控制、LQR最優(yōu)控制、滑?？刂?、魯棒控制、協(xié)同進化遺傳算法等控制算法理論。

湖南大學的周兵等人[20]通過將PID與線性控制相結合的方法，利用主動懸架與主動穩(wěn)定桿的耦合關系，設計了PID集成控制策略；吉林大學的陳志韜[21]提出一種新的主動穩(wěn)定桿結構，采用線性最優(yōu)二次型控制對車身側傾進行了閉環(huán)控制；南京理工大學的陳山等[22]針對液壓式主動穩(wěn)定桿系統(tǒng)提出了分層控制算法；合肥工業(yè)大學的趙福民等[23]針對液壓馬達式主動穩(wěn)定桿，對其主動控制系統(tǒng)的反饋線性化控制器以及滑模變結構控制器進行了設計，采用了線性化反饋的滑?？刂撇呗?；南京理工大學的丁義蘭等[24]采用ADAMS和Matlab聯(lián)合仿真的方式，設計了基于邏輯條件判斷的多策略集成控制算法；南京理工大學的李姣等[25]針對電動車設計了一套包含控制單元、各種傳感器、激勵器以及穩(wěn)定桿主體的電機式主動穩(wěn)定桿系統(tǒng)；湖南大學的呂緒寧等[26]對汽車主動穩(wěn)定桿與主動前輪轉向協(xié)調控制進行了研究，設計了ARB和AFS的協(xié)調控制器，顯著改善了汽車的橫擺穩(wěn)定性、側傾性、主動安全性；華南理工的李真炎等[27]針對電機作為驅動力單元的主動穩(wěn)定桿，采用PID控制策略減少了車輛在特殊工況下的車身側傾角，實現(xiàn)了車身側傾的主動控制；合肥工業(yè)大學的陳祥林等[28]對主動橫向穩(wěn)定控制研究采用模糊滑?？刂扑惴?，設計了基于DSP的具有嵌入式C代碼自動生成功能的仿真控制平臺。

2.4 主動穩(wěn)定桿的應用現(xiàn)狀

關于主動式穩(wěn)定桿的應用，國內(nèi)車企還未將其應用到量產(chǎn)車型上。國外在寶馬、奧迪、路虎等一些車型上現(xiàn)在均已實現(xiàn)較為成熟的應用。

全新寶馬7系配備了主動動態(tài)行駛穩(wěn)定防側傾系統(tǒng)，該系統(tǒng)由裝有液壓馬達式的主動穩(wěn)定桿和空氣彈簧組合而成[29-30]。

寶馬7系轎車主動穩(wěn)定桿系統(tǒng)如圖6所示。

該系統(tǒng)的執(zhí)行機構由液壓馬達、齒輪等組成。液壓馬達的控制與調節(jié)主要是根據(jù)車輛的行駛速度、橫向加速度、橫擺角速度和方向盤轉角等來實現(xiàn)；車輛轉向時由于離心力的作用會使車身發(fā)生側傾，其懸架系統(tǒng)配備主動穩(wěn)定桿，液壓馬達根據(jù)傳感器信號實現(xiàn)穩(wěn)定桿變剛度調節(jié)，從而動態(tài)地抑制車身側傾。

奧迪A8配備了電機式的主動穩(wěn)定桿，其主動穩(wěn)定桿系統(tǒng)如圖7所示。

圖7 奧迪A8主動穩(wěn)定桿系統(tǒng)

圖7中，電機的轉矩通過減速增矩后，帶動搖臂轉動；搖臂通過連桿機構將動力傳至下橫臂，進而控制下橫臂的運動，以實現(xiàn)對車輪跳動的控制[31-32]。同時，動力可以沿相反路徑傳至電機，由不平路面引起的車輪跳動，可以通過該路徑帶動電機轉動，從而實現(xiàn)電機的發(fā)電，對蓄電池進行充電。

路虎則是配備了電動液壓式的主動穩(wěn)定桿，其由帶整體式執(zhí)行器的前后穩(wěn)定桿、兩個加速度傳感器、控制模塊、液壓泵、閥組和儲液罐組成[33-35]，其主動穩(wěn)定桿如圖8所示。

圖8 路虎攬勝主動穩(wěn)定桿1-右穩(wěn)定桿；2-穩(wěn)定桿支架；3-穩(wěn)定桿安裝襯套；4-執(zhí)行器；5-穩(wěn)定桿；6-左穩(wěn)定桿

路虎攬勝主動穩(wěn)定桿的左右兩半穩(wěn)定桿是斷開的，中間通過一體式的液壓馬達將兩個穩(wěn)定桿進行連接。整個主動穩(wěn)定系統(tǒng)使用上、下兩個加速度傳感器，下加速度傳感器用于測量車輛的橫向加速度，以防車輛發(fā)生側翻；上加速度傳感器起到輔助作用，與下加速度傳感器進行車輛側翻的矯正和故障的檢測。上、下加速度傳感器都能夠測量±1.11 g范圍內(nèi)的加速度值[36]。

3 存在問題及發(fā)展展望

綜上所述，筆者得出主動穩(wěn)定桿在研究中存在的問題和發(fā)展方向：

（1）在結構設計方面：通過機構優(yōu)化設計更合理的穩(wěn)定桿結構和布置形式，是穩(wěn)定桿研究的重要問題。一般情況下，乘用車即轎車與SUV汽車在安裝主動穩(wěn)定桿時多考慮采用的是串聯(lián)式[37]。因其在空間上的布局更加緊湊，符合車企對底盤空間的布置要求。大型的商用車如載貨汽車、大型客車因其底盤的布置空間大，多考慮采用并聯(lián)式的主動穩(wěn)定桿[38]。

在未來的研究設計中，乘用車將采用電機驅動的主動穩(wěn)定桿（因其結構更緊湊可作為研發(fā)的重點方向），而重型商用車采用液壓式主動穩(wěn)定桿（因其可提供更大扭矩的抗側傾力矩），能源利用的高效化也可作為研發(fā)的重點方向。另外，可以采用組合式的布置形式，以追求在空間布置上的多變化；

（2）在主動穩(wěn)定桿控制算法方面：實現(xiàn)主動穩(wěn)定桿響應的快速性與準確性，同時具有更高的魯棒性與抗干擾性。如何更加精確地過濾噪聲是目前需要解決的難點，應針對性地討論采用加入更高效的卡爾曼濾波方法，來實現(xiàn)對噪聲的過濾與預測；

（3）在主動穩(wěn)定桿與轉向、制動、懸架等其他總成的集成控制方面：研究如何將主動穩(wěn)定桿的控制和車輛差動制動、主動轉向等有機集成，提高車輛橫擺、側傾的綜合穩(wěn)定性；

（4）在穩(wěn)定桿的輕量化研究上：優(yōu)化結構；在材料選取上選用新型輕質材料；在工藝制造上進行優(yōu)化革新。通過輕量化設計最大限度地減輕主動穩(wěn)定桿系統(tǒng)的總質量，達到節(jié)能減排的目的。

4 結束語

主動穩(wěn)定桿在主動控制元件裝備越來越多的今天具有較高的研究和應用價值，其在抑制車身側傾、橫擺等方面的作用十分明顯，但在結構設計、控制算法方面還存在問題，理論上有待進一步完善：

（1）應用最新的材料進行主動穩(wěn)定桿的輕量化設計，采用機構學理論設計和優(yōu)化更合理的主動穩(wěn)定桿機構，以減少主動穩(wěn)定桿系統(tǒng)尺寸和占用空間，并增大主動穩(wěn)定桿扭矩的輸出；

（2）設計更有效的濾波和控制算法，提高主動穩(wěn)定桿的響應性和魯棒性能；

（3）研究主動穩(wěn)定桿和底盤其他總成的有效集成，綜合提高車輛穩(wěn)定性。

筆者認為，以上幾點將是主動穩(wěn)定桿未來的研發(fā)方向。